杜海江，耿光飛，張曉東

(中國農(nóng)業(yè)大學(xué) 信息與電氣工程學(xué)院，北京 100083)

電類學(xué)生實踐學(xué)習(xí)曲線的構(gòu)建與實施

杜海江，耿光飛，張曉東

(中國農(nóng)業(yè)大學(xué) 信息與電氣工程學(xué)院，北京 100083)

為使電類學(xué)生適應(yīng)當(dāng)前工業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀和需求，結(jié)合我院實驗中心現(xiàn)狀和建設(shè)規(guī)劃為背景，對大學(xué)4年實踐學(xué)習(xí)過程進行設(shè)計。提出大學(xué)生培養(yǎng)的目標(biāo)是：具有獨立分析和解決實際工程問題的能力及開展科學(xué)研究的思維及能力，與國內(nèi)外學(xué)生相比有更強的競爭力；對母校和老師有很強的認(rèn)同感，并有勇于創(chuàng)新、建設(shè)國家、回饋社會的情懷和精神，而不是功利主義的奴隸。構(gòu)建電力學(xué)生合理的學(xué)習(xí)曲線，在每個階段都有具體的學(xué)習(xí)目標(biāo)。對實現(xiàn)基礎(chǔ)平臺-實驗室布局和過程管理進行規(guī)劃設(shè)計，以達到理想的培養(yǎng)目標(biāo)。

電類學(xué)生； 學(xué)習(xí)曲線； 資源管理； 實驗室

0 引 言

我院是以工科和實踐性學(xué)科及熱門的工程學(xué)科組成的學(xué)院，學(xué)生們懷著很高的期望并以相當(dāng)高的成績來到我院，學(xué)校應(yīng)提供國內(nèi)一流的實驗實踐平臺，即包括先進和豐富的實驗和場所，也包括水平較高、造詣頗深且有相當(dāng)熱情投身于教學(xué)的教師隊伍。我院實驗中心目前有37個實驗室，12名實驗教師，實驗室數(shù)量大，管理任務(wù)重，但限于學(xué)生人數(shù)和目前開設(shè)的實驗課內(nèi)容少，整體利用率并不高，實驗設(shè)備比較陳舊。

為推進工科專業(yè)水平的提高，我國推行了一系列建設(shè)計劃，包括專業(yè)認(rèn)證、卓越工程師計劃、國家示范實驗教學(xué)中心建設(shè)等。我院目前的水平與國家計劃目標(biāo)和學(xué)習(xí)期望值還有一定的距離，所以也在積極籌劃，以推進實踐教學(xué)水平的快速提高。

1 實驗教學(xué)理念與目標(biāo)探討

分析國家級實驗教學(xué)示范中心評審指標(biāo)體系和工程教育認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)[1-2]，建設(shè)教師隊伍和實驗實踐設(shè)備條件，其目的都是為了培養(yǎng)學(xué)生，綜合各種目標(biāo)，培養(yǎng)學(xué)生應(yīng)該達到的目標(biāo)是：具有獨立分析和解決實際工程問題的能力及開展科學(xué)研究的思維及能力，與國內(nèi)外學(xué)生相比有更強的競爭力；對母校和老師有很強的認(rèn)同感，并有勇于創(chuàng)新、建設(shè)國家、回饋社會的情懷和精神，而不是功利主義的奴隸。

2 如何構(gòu)建電類本科學(xué)生實踐學(xué)習(xí)曲線

實踐教學(xué)從內(nèi)容上應(yīng)包括：實驗、課程設(shè)計、實習(xí)實訓(xùn)、畢業(yè)設(shè)計、創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)活動等5個部分。在大學(xué)4個學(xué)年的不同階段，需要結(jié)合認(rèn)知、基礎(chǔ)、專業(yè)等不同層次的需求，在前述5個部分完成整個學(xué)習(xí)過程。

認(rèn)知階段。各專業(yè)都有當(dāng)前熱點研究課題和流行的研究開發(fā)工具與研究對象，這些內(nèi)容應(yīng)該在實驗設(shè)備和實驗內(nèi)容中體現(xiàn)。但在大一和大二階段，學(xué)生應(yīng)該接觸這些設(shè)備和裝置，以在學(xué)習(xí)初期就了解它們的運行情況、使用情況、性能要求，并激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣。這些內(nèi)容可以做為專業(yè)認(rèn)識實踐課程。其他基本技能的學(xué)習(xí)也是為后面從事更深入的實驗研究建立基礎(chǔ)。

對大一大二學(xué)生，物理、模數(shù)電技術(shù)、電路、機械制圖是基本的工科理論和應(yīng)用基礎(chǔ)，電路原理圖設(shè)計、電路板焊接和電子元器件識圖、電氣元件識圖、機械加工等是基本的工程實踐技能。通過理論學(xué)習(xí)，并通過驗證性、設(shè)計性、綜合和創(chuàng)造性的實驗實踐過程，對模數(shù)電、電路電工、電路原理圖設(shè)計與印制板設(shè)計、焊板等，達到非常熟練的地步，將這些日后會反復(fù)用到的理論與應(yīng)用技能變成工科學(xué)生的基本技能，并對常用儀表儀器(萬用表、信號發(fā)生器、示波器、焊接、機加工)熟練使用。電類學(xué)生需對電工工作有完整的掌握，從識圖、布線、測試等，達到高級電工的水平。

只有使學(xué)生有足夠的壓力投身到實驗室，進行長時間和反復(fù)的實驗，只有這樣，才能對實驗儀器設(shè)備，和對所實驗對象有深入的理解。這需要采購最新式的儀器設(shè)備，需要老師盡心的設(shè)計足夠強度的實驗項目并認(rèn)真考核，需要實驗老師長時間留在實驗室以保證設(shè)備完好，等等。相關(guān)的仿真軟件應(yīng)成為學(xué)生們的基本工具。

到大三，微機原理應(yīng)該是一門非常重要的課程，是學(xué)生們接觸微處理器的第一門課程。如果說模數(shù)電學(xué)習(xí)的是無生命的器件，而微機原理課程將學(xué)習(xí)有生命和活性的微處理器，由它來指揮和協(xié)調(diào)外圍電路及外部設(shè)備的工作。通過該課程學(xué)習(xí)微處理器硬件及軟件的工作原理和系統(tǒng)的開發(fā)設(shè)計工作。目前主要學(xué)習(xí)INTEL8086，這款上世紀(jì)80年代的產(chǎn)品。顯然已遠遠落后于時代了，不要說它的內(nèi)容已夠用和夠?qū)W了，這是懶惰的代名詞。當(dāng)今最新的微處理器、微控制器、數(shù)字信號處理、可編程器件層出不窮，是應(yīng)該更新的時候了。至于選什么，應(yīng)該和以后從事的專業(yè)有關(guān)系。

比如電力專業(yè)，目前電力工業(yè)的控制、測量，大量使用ARM和DSP[3-4]，應(yīng)該在微機原理學(xué)習(xí)時對其進行較深入的學(xué)習(xí)和理解。對于自動化和物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)，ARM和微控制器用得更多一些，對低功耗要求高，應(yīng)該在微機原理課程學(xué)習(xí)相對應(yīng)用多、較復(fù)雜的一或兩款芯片。

W300是 尼 康Coolpix AW130的替代型號，不過兩者的配置參數(shù)差異并不大。在這次測試中，W300擁有最強的30米防水以及零下10攝氏度防凍能力，防摔高度也是評測中最強的，達到了驚人的2.4米。其他新功能還包括4K視頻拍攝能力，尼康SnapBridge通信系統(tǒng)，高度/深度計以及GPS功能。

對于計算機方面，是否應(yīng)該以最新的多核微處理器進行學(xué)習(xí)，以掌握最先進的微處理器工作機理，并從微結(jié)構(gòu)級的軟件設(shè)計以理解其工作的機理，也為以后從事設(shè)計和開發(fā)建立基礎(chǔ)。

目前市場上開源硬件平臺Arduino[5-7]、Raspberry Pi[8-10]，是為了提高學(xué)生對軟硬件嵌入式系統(tǒng)設(shè)計興趣開發(fā)的，也可以做為微機原理的課程內(nèi)容。

所以，這門課程應(yīng)該是個分水嶺，不同專業(yè)的學(xué)生們會結(jié)合各自專業(yè)的需求，開始有所側(cè)重的選擇學(xué)習(xí)的微處理器，并通過設(shè)計的豐富的實驗課程，對所學(xué)微處理器芯片有深入的理解并能熟練的使用。并能結(jié)合綜合課程設(shè)計，將模數(shù)電、電路知識，與微機處理器結(jié)合，設(shè)計出實現(xiàn)一定功能的軟硬件作品，并能設(shè)計出實際的電路板。這一過程中，仿真同步應(yīng)用，成為學(xué)生必備的技能。

大四階段，結(jié)合大三階段對本專業(yè)的專業(yè)課程進行專門的學(xué)習(xí)，并通過積累的電子、電氣、微處理器、電工電子等專業(yè)基礎(chǔ)知識和應(yīng)用技能，可在前沿領(lǐng)域，如物聯(lián)網(wǎng)、3D打印、大數(shù)據(jù)、機器人、新能源電力等，從事創(chuàng)造性、有一定探索性的開發(fā)和實踐工作，至畢業(yè)前，已具備獨立開發(fā)能力，并具備與國內(nèi)外畢業(yè)生相當(dāng)?shù)母偁幜?、硬實力、?chuàng)造潛力的合格畢業(yè)生。

為了達到這個學(xué)習(xí)曲線的設(shè)計，需要具備配套的實踐教學(xué)條件。

如前述，大二學(xué)生應(yīng)具備模數(shù)電、電路、機械制圖的理論及相應(yīng)實驗實踐的基礎(chǔ)知識和技能。這種技能的建立就是以專業(yè)基礎(chǔ)實驗室為載體。如電子實驗課，可以只為學(xué)生提供面包板和元器件，由學(xué)生自行搭建電路，實驗室提供先進的儀器。常說，無招勝有招，武術(shù)的最高境界是無招。同樣，最好的實驗設(shè)備就是自己設(shè)計和實現(xiàn)。只有設(shè)計的豐富的實驗項目和嚴(yán)格要求，才能把學(xué)生們留在實驗室。與之配合的則是，實驗室必須長時間開放，并維護設(shè)備處于良好的運行狀態(tài)；要求實驗老師有更高的水平和投入，才能解決學(xué)生實驗過程遇到的各種問題。為了達到大二階段的目標(biāo)，是理論教學(xué)、實踐教學(xué)、實驗室儀器設(shè)備等多方面的問題，良性合作、共同努力，才能達到最佳的效果。

到大三階段，隨著專業(yè)課程的開設(shè)，學(xué)生們應(yīng)該長時間留在專業(yè)實驗室，以掌握本專業(yè)的專門知識。進而結(jié)合課程設(shè)計、實踐性實驗項目的設(shè)計，將微處理器、電工電子技術(shù)與本專業(yè)知識結(jié)合，可以開展更深入的科研工作，使自身的科研素質(zhì)、能力得到迅速提升。

到大四階段，及大三和大四階段，創(chuàng)新項目、校企項目、自選題目、競賽項目等等，為學(xué)生提供更寬的訓(xùn)練平臺，創(chuàng)新實驗室、專業(yè)實驗室，都是學(xué)生們自由研究和實驗的場所。隨著掌上學(xué)習(xí)套件的普及，學(xué)生宿舍也是很好的實踐場所。學(xué)習(xí)曲線設(shè)計如圖1所示。

圖1 實驗學(xué)習(xí)曲線

3 圍繞學(xué)習(xí)曲線構(gòu)建實驗室布局

實驗中心原來的實驗室共用37個實驗室及一個元器件庫，實驗室面積約2 500 m2，其中有1 900 m2分布在院1～3層，主要在3層，另有創(chuàng)新實驗室600 m2分布在負(fù)一層。布局如圖2所示。

圖2 目前實驗室布局

存在的問題是：① 隨著招生學(xué)生數(shù)量的大幅減少，部分實驗室處于閑置狀態(tài)；② 由于經(jīng)費限制和教授課程內(nèi)容的滯后，部分實驗設(shè)備老化，和工程實際現(xiàn)狀差距明顯；③ 實驗中心人員水平和人數(shù)限制，實驗室不是開放運行，又限制了學(xué)生參與實驗的積極性和機會；④ 主要是不能滿足所設(shè)計學(xué)生學(xué)習(xí)曲線的要求。針對這些問題，對實驗室重新布局，并設(shè)計有效的運行管理模式。新設(shè)計的實驗室布局如圖3所示。

圖3 實驗室新布局

實驗室新布局的特點：① 內(nèi)容類似的實驗合并及建設(shè)綜合性實驗室，如微控制器實驗室，將單片機、數(shù)字信號處理器、可編程器件等設(shè)備集中到一個實驗室，方便學(xué)生交叉學(xué)習(xí)；② 與工業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀結(jié)合，如建設(shè)新型電力實驗室、物聯(lián)網(wǎng)、機器人等實驗室；③ 強化實訓(xùn)實驗室，提高學(xué)生實踐能力。

重新布局后核心電類課程與實驗室使用對應(yīng)關(guān)系如圖4所示。

圖4 實驗室與理論課、實驗課程對應(yīng)關(guān)系

4 資源管理系統(tǒng)建設(shè)與隊伍建設(shè)

為了配合實踐教學(xué)目標(biāo)的達成，必須設(shè)計完善的資源管理系統(tǒng)[11-13]?？梢詫嶒炛行牡乃薪M件統(tǒng)稱為資源，包括教師、設(shè)備儀器、實驗室、學(xué)生、實驗課程等。實驗中心的運行過程，就是通過設(shè)計，使得所有資源達到最佳的使用狀態(tài)和最方便的使用操作，將該系統(tǒng)設(shè)計為3層結(jié)構(gòu)，即基本資源層、二次資源層和可視操作層，如圖5所示。

圖5 資源管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

所設(shè)計實驗中心就像一座工廠的生產(chǎn)車間，資源管理系統(tǒng)實際是一套B/S結(jié)構(gòu)的管理軟件，必須與實際管理措施結(jié)合才能有效發(fā)揮作用，實現(xiàn)有效的資源管理和調(diào)度。

實驗中心人員分為兩部分。①實驗管理人員，全職值班，為常規(guī)實驗員和實驗師職責(zé)；②實驗課程教學(xué)科研人員，主要做實踐教學(xué)。

開放實驗室管理和運行由值班人員負(fù)責(zé)，也負(fù)責(zé)開放期間學(xué)生實驗過程的一般指導(dǎo)和安全管理。實驗課程教學(xué)人員負(fù)責(zé)實驗課及所有實踐教學(xué)環(huán)節(jié)的工作，并從事與實驗有關(guān)的科研開發(fā)工作。其中,有相當(dāng)?shù)膶嶒烅椖恳?，學(xué)生不得不留在實驗室，同時，實驗室老師專門長時間開放實驗室以供學(xué)生使用，形成良性循環(huán)。

5 結(jié) 語

(1) 提出本科學(xué)生學(xué)習(xí)目標(biāo)確立，不僅學(xué)習(xí)技能，還要有更高的追求；

(2) 對電類學(xué)生學(xué)習(xí)過程曲線的設(shè)計進行了分析，對學(xué)生規(guī)劃學(xué)習(xí)過程和老師指導(dǎo)學(xué)生提供參考；

(3) 以我院實驗中心為背景，對實驗室布局和工作人員管理進行優(yōu)化設(shè)計。

學(xué)習(xí)曲線通過逐步施行，效果明顯但仍需努力。

[1] 余天佐，蔣建偉.基于工程教育認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)的持續(xù)質(zhì)量改進——以Z大學(xué)全國示范性軟件工程專業(yè)為例[J].清華大學(xué)教育研究,2015(6)：104-111.

[2] 張文桂.實驗教學(xué)示范中心建設(shè)的思考與實踐[J].實驗技術(shù)與管理,2008,25(1)：1-4.

[3] 鄭文波，段明祥.工業(yè)控制與嵌入式系統(tǒng)[J].工業(yè)控制計算機,2005,18(11)：1-3.

[4] 劉廣林.基于PC/104和ARM的工業(yè)控制平臺設(shè)計及應(yīng)用[D].武漢:華中科技大學(xué),2010.

[5] http://www.arduino.cn/

[6] http://www.arduino.org.cn/

[7] https://www.arduino.cc/

[8] https://www.raspberrypi.org

[9] http://www.shumeipai.net/forum.php

[10] http://shumeipai.nxez.com/

[11] 王小雨.實驗室資源管理系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[D].蘇州：蘇州大學(xué)，2015.

[12] 馬 燕，馮 廣.淺談高校實驗室資源管理系統(tǒng)建設(shè)[J].中國現(xiàn)代教育裝備，2008(9)：102-103.

[13] 耿曉君，陳章其.基于Struts與JSTL的開放實驗室資源管理系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)[J].現(xiàn)代教育技術(shù)，2009,19(11)：136-140.

Construction and Implementation of Learning Curve for Students Majored in Electricity

DUHaijiang,GENGuangfei,ZHANGXiaodong

(College of Information and Electrical Engineering,China Agricultural University,Beijing 100083,China)

Based on the current situation and construction plan of the experimental center of our college,and in order to make the students majored in electricity to adapt to the current status of industrial development and demands,training objectives of engineering undergraduates have been designed as follows: having the ability to analyze and solve engineering problems independently,having the potential to carry out research of science,having competitive compared with students at home and abroad; having strong sense of identity with alma mater and teachers and having to be not slaves of utilitarianism.The four-year university practice learning process is analyzed and a good learning curve is designed.Lab layout and process management methods are also planned and designed to achieve ideal cultivation goal.

students majored in electricity; learning curve; resource management; laboratory

2016-10-25

杜海江(1971-)，男，河北定州人,博士，副教授，主要研究方向：電力電子技術(shù)、新能源發(fā)電。

Tel.:13718445130;E-mail：duhaijiang@cau.edu.cn

G 642.0

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1006-7167(2017)07-0257-04